一種基于氧化鎢納米塊的氮氧化物傳感器元件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣敏傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于氧化鎢納米塊的氮氧化物傳感器元件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮氧化物(NOx)是一種導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧等環(huán)境問(wèn)題并對(duì)人類(lèi)構(gòu)成巨大威脅的有毒有害氣體。研究用于氮氧化物的準(zhǔn)確檢測(cè)和監(jiān)控的高性能的氣敏材料與器件對(duì)人類(lèi)健康是至關(guān)重要的。氧化鎢是一種寬禁帶的N型半導(dǎo)體材料，它在氣敏傳感器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。作為一種高性能的氣敏材料，氧化鎢可廣泛應(yīng)用于各種有毒有害氣體如N0x、S02、NH3等檢測(cè)。但是，WO3氣敏材料工作溫度高(250°C左右)的缺點(diǎn)給傳感系統(tǒng)集成化帶來(lái)了復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。為此，科技人員一直致力于用于低溫工作的氣敏傳感器的研究。而氧化鎢納米塊具有較大的比表面積以及較強(qiáng)的氣體吸附能力，從而能進(jìn)一步提高氣敏傳感器的靈敏度的同時(shí)有效的降低工作溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于氧化鎢納米塊的氮氧化物傳感器元件的制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中氧化鎢氣敏傳感器存在的工作溫度較高的問(wèn)題。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于氧化鎢納米塊的氮氧化物傳感器元件的制備方法，具有以下步驟:
[0005](I)陶瓷片基底的清洗
[0006]采用陶瓷片作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無(wú)水乙醇中超聲振蕩15-20min，除去表面有機(jī)物雜質(zhì)。隨后將陶瓷片基底放入去離子水中清洗，沖洗完成后放入無(wú)水乙醇中，并置于紅外烘箱中烘干；
[0007](2)制備Pt的叉指電極
[0008]將陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999 %的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強(qiáng)為2.0Pa,濺射功率80-90W，濺射時(shí)間8_10min，基底溫度為室溫，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極；
[0009](3)制備反應(yīng)溶液
[0010]首先配置0.025M-0.1M的六氯化鎢溶液，將六氯化鎢溶于65ml去離子水中，磁力攪拌至全部溶解，形成白色的六氯化鎢溶液；
[0011](4)制備氣敏傳感器
[0012]將步驟(2)中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，同時(shí)將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度200°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時(shí)間為6-9h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫；
[0013](5)清洗反應(yīng)后氧化鋁基底
[0014]將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無(wú)水乙醇浸泡清洗，然后在60_80°C的真空干燥箱中干燥8-10h;
[0015](6)氣敏傳感器元件的熱處理
[0016]將步驟(5)所制備的氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為300-400°C，保溫時(shí)間為2h，升溫速率為2-5°C/min，用以增加氧化鎢納米塊的結(jié)晶性。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明采用溶劑熱法在陶瓷片基底上制備了三氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)，其具有巨大的比表面積和較大的表面活性，并將該納米塊結(jié)構(gòu)應(yīng)用于氣敏傳感器領(lǐng)域，結(jié)果表明:該三氧化鎢納米塊氣敏材料能在低溫(?100°c)條件下有效檢測(cè)氮氧化物，對(duì)氮氧化物氣體極低濃度探測(cè)(可達(dá)0.1ppm)，并具有很高的氣敏性、優(yōu)良的重復(fù)性和很好的穩(wěn)定性。并重點(diǎn)研究了溶劑熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)氣敏傳感器元件氣敏性能的影響。該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、可重復(fù)性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的實(shí)踐和研究意義。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米塊的掃描電子顯微鏡照片，標(biāo)尺為10nm;
[0019]圖2是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米塊的XRD圖譜；
[0020]圖3是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在不同工作溫度下對(duì)lppm NO2氣體的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；
[0021]圖4是實(shí)施例1所制備的氧化媽納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C條件下對(duì)IppmNO2氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線；
[0022]圖5是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C條件下的靈敏度與NO2氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；
[0023]圖6是實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件對(duì)多種氣體的選擇性示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]本發(fā)明所用原料均采用市售化學(xué)純?cè)噭?br>[0026]實(shí)施例1
[0027](I)陶瓷片基底的清洗:
[0028]采用陶瓷片(lCmX2Cm)作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無(wú)水乙醇中超聲振蕩15min，除去表面有機(jī)物雜質(zhì)。并置于紅外烘箱中烘干待用。
[0029](2)制備Pt的叉指電極:
[0030]將陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999 %的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強(qiáng)為2.0Pa,濺射功率85W，濺射時(shí)間1min，基底溫度為室溫，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極。
[0031](3)制備反應(yīng)溶液:
[0032]首先配置0.05M的六氯化鎢溶液，稱(chēng)取1.19g六氯化鎢溶于65ml去離子水中，磁力攪拌至全部溶解，形成白色的六氯化鎢溶液。
[0033](4)制備氣敏傳感器:
[0034]將步驟(2)中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于10ml水熱反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，同時(shí)將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度200°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時(shí)間為7h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫；
[0035](5)清洗反應(yīng)后氧化鋁基底:
[0036]將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無(wú)水乙醇浸泡清洗，然后在80°C的真空干燥箱中干燥9h。
[0037]實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米塊的表面形貌的電子顯微鏡分析結(jié)果如圖1所示。會(huì)在氧化鋁基底上形成正方體和長(zhǎng)方體的納米塊。
[0038](6)氣敏傳感器元件的熱處理:
[0039]將步驟(5)所制備的氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為350°C，保溫時(shí)間為2h，升溫速率為2.5°C/min。
[0040]實(shí)施例1所制備的氧化鎢納米塊的X射線衍射分析結(jié)果如圖2所示。XRD譜圖顯示氧化媽納米塊的晶相為單斜相和八方相混合的W03，并具有良好的結(jié)晶性。
[0041]實(shí)施例1制得的氧化媽納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在不同工作溫度下對(duì)lppmN02氣體的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖如圖3所示，可以看出氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)傳感器的最佳工作溫度為100°C。其在100C下的靈敏度與lppm NO2氣體濃度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖如圖4所示。
[0042]實(shí)施例1制得的氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C下的靈敏度與NO2氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖如圖5所示，其中對(duì)0.1、0.5、1、2、3ppm NO2氣體的靈敏度分別為3.24、11.78、33.84、41.11和49.39。
[0043]由實(shí)施例1所制得的氧化媽納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C下對(duì)10ppm氨氣、乙醇、異丙醇、甲醇、丙酮蒸汽的靈敏度分別為2.22、1.85、1.55、1.33、1.19、1.15，而對(duì)IppmNO2氣體的靈敏度為33.84，如圖6所示。這表明該氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件對(duì)NO2氣體具有優(yōu)良的選擇性。
[0044]實(shí)施例2
[0045]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:步驟(3)中配置的溶劑熱反應(yīng)液中六氯化鎢的濃度為0.025M，所制得的氧化媽納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C下對(duì)lppm N02氣體的靈敏度為9.72。
[0046]實(shí)施例3
[0047]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:步驟(3)中配置的溶劑熱反應(yīng)液中六氯化鎢的濃度為0.075M，所制得的氧化媽納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C下對(duì)lppm N02氣體的靈敏度為18.34。
[0048]實(shí)施例4
[0049]本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于:步驟(3)中配置的溶劑熱反應(yīng)液中六氯化鎢的濃度為0.1M，所制得的氧化媽納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件在100°C下對(duì)lppm N02氣體的靈敏度為14.87。
[0050]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于氧化鎢納米塊的氮氧化物傳感器元件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)陶瓷片基底的清洗 采用陶瓷片作為基底，將陶瓷片基底依次放入丙酮溶劑、無(wú)水乙醇中超聲振蕩15-20min，除去表面有機(jī)物雜質(zhì)；隨后將陶瓷片基底放入去離子水中清洗，沖洗完成后放入無(wú)水乙醇中，并置于紅外烘箱中烘干； (2)制備Pt的叉指電極 將陶瓷片基底置于DPS-ΙΠ型高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度99.99%的金屬鉑作為靶材，以質(zhì)量純度99.999 %的氬氣作為工作氣體，濺射工作壓強(qiáng)為2.0Pa,濺射功率80-90W，濺射時(shí)間8_10min，基底溫度為室溫，在氧化鋁基底表面形成叉指鉑電極； (3)制備反應(yīng)溶液 首先配置0.025M-0.1M的六氯化鎢溶液，將六氯化鎢溶于65ml去離子水中，磁力攪拌至全部溶解，形成白色的六氯化鎢溶液； (4)制備氣敏傳感器 將步驟(2)中鍍有鉑電極的氧化鋁基底置于內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，同時(shí)將步驟(3)制備的六氯化鎢溶液也轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，密封，然后將反應(yīng)釜置于恒溫干燥箱中，在反應(yīng)溫度200°C下在氧化鋁基底表面合成氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)，反應(yīng)時(shí)間為6-9h，反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)釜自然冷卻到室溫； (5)清洗反應(yīng)后氧化鋁基底 將步驟(4)中溶劑熱反應(yīng)后的氧化鋁基底，反復(fù)經(jīng)去離子水和無(wú)水乙醇浸泡清洗，然后在60-80°C的真空干燥箱中干燥8-1 Oh; (6)氣敏傳感器元件的熱處理 將步驟(5)所制備的氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)氣敏傳感器元件置于馬弗爐中進(jìn)行熱處理，用以增加氧化鎢納米塊的結(jié)晶性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于氧化鎢納米塊的氮氧化物傳感器元件的制備方法，其特征在于，所述步驟(6)熱處理溫度為300-400°C，保溫時(shí)間為2h，升溫速率為2-5°C/min。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于氧化鎢納米塊的氮氧化物傳感器元件的制備方法，具有以下步驟：(1)陶瓷片基底的清洗；(2)制備Pt的叉指電極；(3)制備反應(yīng)溶液；(4)制備氣敏傳感器；(5)清洗反應(yīng)后氧化鋁基底；(6)氣敏傳感器元件的熱處理。本發(fā)明采用溶劑熱法在陶瓷片基底上制備了三氧化鎢納米塊結(jié)構(gòu)，其具有巨大的比表面積和較大的表面活性，并將該納米塊結(jié)構(gòu)應(yīng)用于氣敏傳感器領(lǐng)域，結(jié)果表明：該三氧化鎢納米塊氣敏材料能在低溫(～100℃)條件下有效檢測(cè)氮氧化物，并具有很高的氣敏性、優(yōu)良的重復(fù)性和很好的穩(wěn)定性。
【IPC分類(lèi)】G01N27/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105486721
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610010996
【發(fā)明人】胡明, 王自帥, 王毅斐, 劉相承, 袁琳
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2016年1月5日